CN110492440B - 一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路 - Google Patents

一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，包括：指令控制电路、继电器保护电路、软启动电路和功率电路；其中，指令控制电路，在有保护发生时，发出关断指令信号，在保护恢复后，发出接通指令信号；继电器保护电路，在接受到关断指令信号后，同时将继电器关断；在接受到接通指令信号后，同时将继电器接通；软启动电路，在控制回路继电器关断后，实现软启动电容放电；在控制回路继电器接通后，实现软启动电容的充电；功率电路用于对软启动电路的软启动电容放电和充电。本发明有效地提高了空间电源系统在轨工作的可靠性。

Description

一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路
技术领域
本发明属于空间飞行器技术领域，尤其涉及一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路。
背景技术
随着航天技术的发展，航天器母线电压逐渐选择高压，负载功率不断增加，电源系统的功率进一步提高，对电源系统内部功率电路的要求也不断增加，考虑到航天器的安全，需要功率电路有相应的保护措施，能够在故障发生后对功率电路进行保护，防止故障进一步扩散。
由于空间飞行器对高压电源系统的长寿命要求高，要求电源系统在轨期间可维修、可更换，因此要求电源系统在故障恢复后能够有效安全地进行工作。在恢复过程中功率电路中的开关器件容易出现大的电流尖峰而失效，因此研究可靠、安全的大功率软启动保护技术是长寿命要求航天器电源系统发展的关键。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种软启动保护电路，解决了空间飞行器电源系统在飞行阶段发生异常时设备处于失控状态造成损坏，在轨要求可维修、可更换以及安全恢复工作状态的问题，有效地提高了空间电源系统在轨工作的可靠性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，包括：指令控制电路、继电器保护电路、软启动电路和功率电路；其中，所述指令控制电路、所述继电器保护电路和所述软启动电路构成了对功率拓扑实现软启动保护的电路；所述指令控制电路，在有保护发生时，发出关断指令信号，在保护恢复后，发出接通指令信号；所述继电器保护电路，在接受到关断指令信号后，同时将继电器关断；在接受到接通指令信号后，同时将继电器接通；所述软启动电路，在控制回路继电器关断后，实现软启动电容放电；在控制回路继电器接通后，实现软启动电容的充电；所述保护电路用于对软启动电路的软启动电容放电和充电。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，所述指令控制电路为指令芯片N1；其中，指令芯片N1的指令1脚产生关断指令，指令芯片N2的指令2脚产生接通指令。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，所述继电器保护电路包括第一继电器K1和第二继电器K2，其中；第一继电器K1的1脚接入指令芯片N1的指令1脚，第一继电器K1的6脚接入指令芯片N1的指令2脚，第一继电器K1的2脚和7脚接入电源VCC，第一继电器K1的4脚接入信号地SGND，第一继电器K1的5脚悬空；第二继电器K2的1脚接入指令芯片N1的指令1脚，第二继电器K2的6脚接入指令芯片N1的指令2脚，第二继电器K2的2脚和7脚接入电源VCC，第二继电器K2的4脚悬空。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，所述软启动电路包括软启动电阻R1、软启动电容C1和PWM控制芯片N2，其中；软启动电阻R1正端接入第一继电器K1的3脚，软启动电阻R1负端接入软启动电容C1的正端，软启动电阻R1负端接PWM控制芯片N2的软启动端，软启动电容C1的负端接入信号地SGND，PWM控制芯片N2产生PWM信号。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，所述功率电路包括功率源S1、MOS管Q1、滤波电感L1、续流二极管D1、滤波电容C2和负载电阻RL，其中；功率源S1负端接入功率地GND，功率源S1正端接入第二继电器K2的3脚，第二继电器K2的5脚接入MOS管Q1漏极，MOS管Q1源极接入滤波电感L1正端，MOS管Q1源极接入续流二极管D1的阴极；电感L1负端接入滤波电容C2正端，电感L1负端连接负载电阻RL的正端，续流二极管D1的阳极、滤波电容C2的负端、负载电阻RL的负端一并接入功率地GND；PWM控制芯片N2的PWM信号接入MOS管的栅极。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，软启动电阻R1为1kΩ～2kΩ，软启动电容C1为1μF～2μF。
上述用于大功率拓扑控制的软启动保护电路中，功率源S1的功率为80V～120V，滤波电感L1为300μH～350μH，滤波电容C2为400μF～600μF，负载电阻RL为5Ω～10Ω。
一种用于大功率拓扑控制的软启动保护方法，所述方法包括如下步骤：首先，在所述功率电路发生故障时，指令模块发送关断指令，断开继电器保护电路的继电器，故障与功率电路隔离，并对软启动电容进行放电，使得PWM控制芯片无输出；其次，在故障问题解决后，指令模块发送接通指令，接通继电器保护电路的继电器；最后，继电器接通后，PWM控制芯片对软启动电容缓慢充电，输出PWM信号逐渐变宽，即MOS管的电流也逐渐增大，实现了故障解除后功率电路的缓慢启动。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，与现有的保护电路相比，其优点在于故障发生时指令电路对功率和驱动回路同时进行关断，增加设备在轨飞行期间的安全性；利用驱动芯片的内部原理及外部电路，合理有效地设计软启动时间，使得MOS管在故障恢复后也能工作在一个安全区域，减小了MOS管失效的可能性，提高了设备的可靠性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路的示意图。如图1所示，该用于大功率拓扑控制的软启动保护电路包括：指令控制电路、继电器保护电路、软启动电路和功率电路；其中，
指令控制电路、继电器保护电路和软启动电路构成了对功率拓扑实现软启动保护的电路；
指令控制电路，在有保护发生时，发出关断指令信号，在保护恢复后，发出接通指令信号；
继电器保护电路，在接受到关断指令信号后，同时将继电器关断；在接受到接通指令信号后，同时将继电器接通；
软启动电路，在控制回路关断后，实现软启动电容放电；在控制回路继电器接通后，实现软启动电容的充电；
保护电路用于对软启动电路的软启动电容放电和充电。
如图1所示，指令控制电路为指令芯片N1；其中，指令芯片N1的指令1脚产生关断指令，指令芯片N2的指令2脚产生接通指令。
如图1所示，继电器保护电路包括第一继电器K1和第二继电器K2，其中；第一继电器K1的1脚接入指令芯片N1的指令1脚(关断指令)，第一继电器K1的6脚接入指令芯片N1的指令2脚(接通指令)，第一继电器K1的2脚和7脚接入电源VCC，第一继电器K1的4脚接入信号地SGND，第一继电器K1的5脚悬空；第二继电器K2的1脚接入指令芯片N1的指令1脚(关断指令)，第二继电器K2的6脚接入指令芯片N1的指令2脚(接通指令)，第二继电器K2的2脚和7脚接入电源VCC，第二继电器K2的4脚悬空。
如图1所示，软启动电路包括软启动电阻R1、软启动电容C1和PWM控制芯片N2，其中；软启动电阻R1正端接入第一继电器K1的3脚，软启动电阻R1负端接入软启动电容C1的正端，软启动电阻R1负端接PWM控制芯片N2的软启动端，软启动电容C1的负端接入信号地SGND，PWM控制芯片N2产生PWM信号。
如图1所示，功率电路包括功率源S1、MOS管Q1、滤波电感L1、续流二极管D1、滤波电容C2和负载电阻RL，其中；功率源S1负端接入功率地GND，功率源S1正端接入第二继电器K2的3脚，第二继电器K2的5脚接入MOS管Q1漏极，MOS管Q1源极接入滤波电感L1正端，MOS管Q1源极接入续流二极管D1的阴极；电感L1负端接入滤波电容C2正端，电感L1负端连接负载电阻RL的正端，续流二极管D1的阳极、滤波电容C2的负端、负载电阻RL的负端一并接入功率地GND；PWM控制芯片N2的PWM信号接入MOS管的栅极。
上述实施例中，软启动电阻R1为1kΩ～2kΩ，软启动电容C1为1μF～2μF。
上述实施例中，功率源S1的功率为80V～120V，滤波电感L1为300μH～350μH，滤波电容C2为400μF～600μF，负载电阻RL为5Ω～10Ω。
具体的，指令控制电路在故障发生时，发送关断继电器指令，故障解除后发送接通继电器指令；继电器保护电路，在接受到关断指令，关断功率和控制回路继电器，保护设备安全，在接受接通指令，接通功率和控制回路继电器，对功率电路实现软启动；所述软启动电路，在故障解除且继电器接通后，PWM控制芯片对软启动电容充电，使得输出PWM信号由窄变宽。
所述指令控制电路，可以发出两种工作指令，断开和接通。
当发送断开指令时，如图1所示，所述继电器保护电路中的第二继电器K2的3脚连接触点由5脚切向4脚，断开功率源S1和功率拓扑电路的回路，功率电路处于不工作的状态；同时，第一继电器K1的3脚连接触点由5脚切向4脚，即由悬空端接入信号地，软启动电容C1通过软启动电阻R1进行放电，使得Soft-Start信号变为0V，PWM控制芯片无PWM信号输出。
当发送接通指令时，所述第二继电器K2的3脚连接触点由4脚切向5脚，此时接通功率源S1和功率回路；同时，第一继电器K1的3脚连接触点由4脚切向5脚，此时PWM控制芯片开始对软启动电容C1进行充电；由于上一时刻软启动电容C1被完全放电，因此软启动电容C1两端的电压从0V开始增加，使得PWM控制芯片输出PWM信号由窄脉冲逐渐变宽，完成软启动过程。
软启动电路在故障解除，接通功率和控制回路后开始工作，减小启动瞬间功率MOS管的电流应力，软启动时间可以通过调节软启动电容C1的大小来改变，根据要求选取合适电容值，使得MOS管在启动瞬间处于安全工作状态。
本实施例还提供了一种用于大功率拓扑控制的软启动保护方法，该方法包括如下步骤：首先，在所述功率电路发生故障时，指令模块发送关断指令，断开继电器保护电路的继电器，故障与功率电路隔离，并对软启动电容进行放电，使得PWM控制芯片无输出；其次，在故障问题解决后，指令模块发送接通指令，接通继电器保护电路的继电器；最后，继电器接通后，PWM控制芯片对软启动电容缓慢充电，输出PWM信号逐渐变宽，即MOS管的电流也逐渐增大，实现了故障解除后功率电路的缓慢启动。
本实施例是大功率电路在故障解除后可安全可靠恢复工作状态，在故障发生时通过切断功率和控制回路，保证设备工作的安全性；在故障恢复后通过软启动电路，减小MOS管在启动瞬间的电流应力，使设备在轨飞行期间具有高可靠性和长寿命。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于包括：指令控制电路、继电器保护电路、软启动电路和功率电路；其中，
所述指令控制电路、所述继电器保护电路和所述软启动电路构成了对功率拓扑实现软启动保护的电路；
所述指令控制电路，在有保护发生时，发出关断指令信号，在保护恢复后，发出接通指令信号；
所述继电器保护电路，在接受到关断指令信号后，同时将继电器关断；在接受到接通指令信号后，同时将继电器接通；
所述软启动电路，在控制回路继电器关断后，实现软启动电容放电；在控制回路继电器接通后，实现软启动电容的充电；
所述保护电路用于对软启动电路的软启动电容放电和充电；
所述指令控制电路为指令芯片N1；其中，
指令芯片N1的指令1脚产生关断指令，指令芯片N2的指令2脚产生接通指令。
2.根据权利要求1所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：所述继电器保护电路包括第一继电器K1和第二继电器K2，其中；
第一继电器K1的1脚接入指令芯片N1的指令1脚，第一继电器K1的6脚接入指令芯片N1的指令2脚，第一继电器K1的2脚和7脚接入电源VCC，第一继电器K1的4脚接入信号地SGND，第一继电器K1的5脚悬空；
第二继电器K2的1脚接入指令芯片N1的指令1脚，第二继电器K2的6脚接入指令芯片N1的指令2脚，第二继电器K2的2脚和7脚接入电源VCC，第二继电器K2的4脚悬空。
3.根据权利要求2所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：所述软启动电路包括软启动电阻R1、软启动电容C1和PWM控制芯片N2，其中；
软启动电阻R1正端接入第一继电器K1的3脚，软启动电阻R1负端接入软启动电容C1的正端，软启动电阻R1负端接PWM控制芯片N2的软启动端，软启动电容C1的负端接入信号地SGND，PWM控制芯片N2产生PWM信号。
4.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：所述功率电路包括功率源S1、MOS管Q1、滤波电感L1、续流二极管D1、滤波电容C2和负载电阻RL，其中；
功率源S1负端接入功率地GND，功率源S1正端接入第二继电器K2的3脚，第二继电器K2的5脚接入MOS管Q1漏极，MOS管Q1源极接入滤波电感L1正端，MOS管Q1源极接入续流二极管D1的阴极；电感L1负端接入滤波电容C2正端，电感L1负端连接负载电阻RL的正端，续流二极管D1的阳极、滤波电容C2的负端、负载电阻RL的负端一并接入功率地GND；PWM控制芯片N2的PWM信号接入MOS管的栅极。
5.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：软启动电阻R1为1kΩ～2kΩ，软启动电容C1为1μF～2μF。
6.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：功率源S1的电压为80V～120V。
7.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：滤波电感L1为300μH～350μH。
8.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：滤波电容C2为400μF～600μF。
9.根据权利要求3所述的用于大功率拓扑控制的软启动保护电路，其特征在于：负载电阻RL为5Ω～10Ω。
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